Undersøgelse af glasovergangsdynamik i flydende polymer ved hjælp af røntgenstråler

Potentialet ved en røntgenspektroskopiteknik til at kaste lys over de mystiske fænomener, der opstår, når en væske nærmer sig en glaslignende tilstand, er blevet demonstreret af fire RIKEN-fysikere.

Ved afkøling, mange væsker gennemgår et skarpt skifte ved deres frysepunkter, snapper til krystallinske faste stoffer. Det mest berømte eksempel er vand, med et frysepunkt på 0 grader Celsius.

I modsætning, mange flydende polymerer og andre materialer gennemgår en mere yndefuld overgang kendt som glasovergangen. De faste stoffer, de danner, har strukturer tættere på den tilfældige rækkefølge af en væske end den ordnede struktur af krystallinske faste stoffer såsom is og metaller. Glas er et klassisk eksempel:det er et fast stof ved stuetemperatur, men dets molekyler er arrangeret på en uordnet måde.

Der er mange ubesvarede spørgsmål om glasovergangen. "Fænomenet glasovergang er et af de største mysterier inden for blødstoffysik, " bemærker Taiki Hoshino fra RIKEN SPring-8 Center. "Nogle forskere stiller endda spørgsmålstegn ved, om glasovergangen virkelig er en overgang, eller om den bare ligner en."

En nøgle, der kan hjælpe med at låse op for mysterierne om glasovergangen, er begrebet dynamisk heterogenitet - fluktuationer i rum og tid i molekylers lokale dynamiske adfærd. "Mange forskere mener, at glasovergangen kan forklares ud fra dynamisk heterogenitet, "siger Hoshino.

Nu, Hoshino og tre RIKEN SPring-8 Center-kolleger har brugt synkrotrongenererede røntgenstråler til at måle dynamisk heterogenitet i en flydende polymer nær dens glasovergangstemperatur.

Under målingerne, polymeren blev presset mellem en stationær cylindrisk stang og et underlag i bevægelse. Væske tættere på underlaget bevægede sig hurtigere end væske nær stangen, resulterer i en hastighedsgradient over væsken. Holdet fandt ud af, at den dynamiske heterogenitet faldt, efterhånden som hastighedsgradienten blev øget. Dette bekræftede forudsigelserne fra en simulering af molekylær dynamik offentliggjort for mere end 20 år siden.

Forskerne brugte en teknik kaldet X-ray photon correlation spectroscopy (XPCS). Fordi lysbølgerne, der udgør en laserstråle, alle topper og laver synkroniseret med hinanden, laserlys spredt fra et objekt genererer et plettermønster på en skærm. XPCS bruger det plettemønster, der genereres af røntgenstråler, til at få information om en prøve. "Hvis sprederne i prøven bevæger sig, spredningsmønsteret ændres, " forklarer Hoshino. "Disse udsving afslører information om spredernes bevægelse."

Hoshino bemærker, at XPCS ikke har nydt så meget popularitet blandt blødstoffysikere som andre teknikker, men han håber, at denne undersøgelse vil overbevise andre om dens potentiale. "Vores resultater viser, at XPCS er en kraftfuld teknik til at studere glasovergang, " han siger.